Лабораторная работа №12 оценка эффективности устройства защитного отключения цель работы

Лабораторная работа № 12
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ УСТРОЙСТВА

ЗАЩИТНОГО ОТКЛЮЧЕНИЯ

Цель работы

Оценка эффективности устройства защитного отклю­чения (УЗО), реагирующего на ток нулевой последовательности (дифференциальный ток) в трехфазных сетях с изолированной и заземленной нейтралями.

Содержание работы

1. Определить уставку и время срабатывания устройства защитного отключения. Сделать заключение о их соответствии первичным критериям электробезопасности.

2. Определить влияние параметров и режима сети на рабо­тоспособность УЗО.

3. Проверить работоспособность УЗО совместно с занулением и защитным заземлением.

Защитное отключение

Устройство защитного отключения - аппарат, состоящий из датчика входного сигнала, усилительно-преобразовательной части и исполнительного органа, обеспечивающего отключение электроустановки при однофазном (однополюсном) прикосновении человека к токоведущим частям, находящимся под опасным напряжением, или при возникновении тока утечки на землю (корпус), превышаю­щего заданный порог срабатывания называемый уставкой. Следовательно, данное средство защиты обеспечивает безопасность путем ограничения времени воздействия опасного для человека тока.

Электрические параметры сети, несущие в себе информацию об опасности поражения, являются входным сигналом для УЗО. В данной работе в качестве входного сигнала УЗО используется ток нулевой последовательности (векторная сумма фазных токов утечки на землю). При протекании тока через человека () ток изменяет свое значение. Значение соответствующее наибольшему значению длительно допустимого тока через человека () называется критической величиной входного сигнала ( ).

Принцип работы УЗО состоит в том, что оно постоянно конт­ролирует значение входного сигнала и сравнивает его с наперед установленным значением (уставкой) , а при осущест­вляется отключение сети. УЗО наиболее эффективно осуществляет защиту, когда . При происходит неоправ­данное отключение электроустановки (перезащита). При в некотором диапазоне опасных для человека токов наблюдается несрабатывание защиты (недозащита).

Из сказанного следует, что эффективность УЗО в основном определяется уставкой и временем срабатывания. Эти характерис­тики для УЗО являются основными.

Уставка УЗО зависит от длительно допустимого для человека тока и параметров сети. На рис. 12.1 показана схема для определе­ния уставки УЗО, реагирующего на ток нулевой последовательности, где:
U - фазное напряжение источника питания сети;

ТТНП - трансформатор тока нулевой последовательности

(датчик УЗО);

,, - проводимости фазных проводников сети относительно

земли в зоне защиты УЗО;

,,- проводимости фазных проводников сети относительно

земли вне зоны защиты УЗО;

Y_о - проводимость нулевой точки источника питания

сети относительно земли;

Yн - проводимость нагрузки датчика (обратная величина

входного сопротивления преобразователя УЗО);

- проводимость цепи человека (тела человека,

обуви, пола и т.п.).
Из схемы видно, что ТТНП будет реагировать только на токи утечки в зоне защиты. Следовательно, УЗО , реагирующее на ток нулевой последовательности, является селективной защитой. При этом входной сигнал будет равен векторной сумме токов утечки в зоне защиты и тока через тело человека, т.е.
(12.1)

Рис. 12.1. Схема для расчета уставки

Рис.12.2. Лицевая панель лабораторной установки
Ток в нагрузке ТТНП будет равен
(12.2)
где - коэффициент трансформации ТТНП.

Аналитическое выражение (12.1) подтверждает, что при равенст­ве токов утечки в зоне защиты до прикосновения человека к фазе () входной сигнал УЗО будет равен нулю (=0). После прикосновения человека к фазе входной сигнал УЗО будет определяться протекающим через человека, током. При пофазном неравенстве токов утечки входной сигнал в случае прикосновения человека к разным фазам будет различным. При большой пофазной разнице токов утечки входной сигнал может превысить уставку и вызвать срабатывание УЗО без прикоснове­ния человека к фазе.

На основании первого закона Кирхгофа с учетом выражений (12.1) и (12.2) запишем:
(12.3)
Выразив токи, входящие в это выражение, через напряжения и проводимости для сети, где и ,

Получим

(12.4)

Из выражения (12.4) видно, что входной сигнал зависит от соот­ношения проводимостей .

В сети с изолированной нейтралью, где (с уче­том выражения 12.2).

(12.5)

Из выражения (12.5) видно, что в сети с изолированной нейтралью уставка должна выбираться в зависимости от соотношзния прово­димостей и , то есть от места расположения датчика вдоль сети. Если датчик будет установлен у источника пита­ния, где , то входной сигнал будет равен нулю при любых значениях тока через человека. Следовательно, устрой­ство этого типа в сети с изолированной нейтралью может применяться только для защиты отдельных ее участков.

В сети с заземленной нейтралью, где



Из этого выражения видно, что в сети с заземленной нейтралью входной сигнал УЗО не зависит от места установки датчика. Следовательно, устройство может применяться как для защиты всей сети, так и отдельных ее участков. Уставка, при этом должна иметь постоянное значение, соответствующее длите­льно допустимому току через человека.

Время срабатывания УЗО определяется функцией , где T время (с) воздействия электрического тока на че­ловека. Для токов промышленной частоты (50 Гц) эта зависи­мость задана таблицей в ГОСТ 12.1.038-82 и может быть представлена в удобном для практических расчетов виде:

(12.6)
Защита считается эффективной, если УЗО срабатывает за время, в течение которого для человека допустим максимально воз­можный в данной сети ток. Максимальный ток через человека в сети (с учетом условия поражения) зависит от напряжения сети и режима ее нейтрали.

В сети с изолированной нейтралью (при однополюсном прикосно­вении в аварийном режиме):

,
в сети с заземленной нейтралью
,

где – сопротивление тела человека (расчетное значение 1000 Ом).
Если время срабатывания УЗО ( ) выбрано по максимально возможному в данной сети току через человека, то для любых других значений время срабатывания защиты будет также соответствовать требованиям электробезопас­ности.

Применяемое оборудование

Лабораторная установка представляет собой модель электри­ческой сети с источником питания, электропотребителем, под­ключенным в зоне защиты УЗО, средствами защиты (занулением, защитным заземлением), измерительными приборами и устройством, имитирующим тело человека. Мнемоническая схема установки; показана на рис. 12.2 .

В качестве источника питания используется трехфазный разделительный трансформатор. Включение сети осуществляется выключателем . При этом загораются фазные сигнальные лампы.

Установка позволяет исследовать сети с заземленной и изо­лированной нейтралями. Режим нейтрали изменяется переключате­лем. Положение "ВКЛ" соответствует заземленной нейтра­ли.

Проводимости фазных проводников относительно земли смоде­лированы сосредоточенными сопротивлениями ,,,,, и емкостями , ,,,,. Значения указанных проводимостей изменяются соответствующими клавишными переключателями.

В работе используется УЗО типа ИЭ-9813 (с незначительными изменениями характеристик). Устройство имеет кнопки "ПУСК", "СТОП", "КОНТРОЛЬ". Для измерения входного сигнала, превышающего значение уставки, выключателем отключают исполнительный орган УЗО.

Установка позволяет проверить работоспособность УЗО при режимах, соответствующих заземленному (зз), зануленному (зн) и изолированному от земли электропотребителю. Выбор соответ­ствующего режима осуществляется переключателем . Кноп­ка позволяет осуществить замыкание на корпус.

Проводимость цепи человека смоделирорана переменными

сопротивлениями и (- переходное сопротивление между человеком и землей: пол, обувь и т.п.). Эти сопроти­вления подключаются к сети гибким проводником через гнездо , а при измерении через гнездо и кнопку . Кнопка замыкает цепь через с одновре­менным подключением секундомера. Прикосновение человека к различным частям объекта, находящимся под напряжением,моде­лируется с помощью гибкого проводника, включаемого в гнезда в случае прикосновения в зоне защиты и - вне зоны защиты.

На лицевой панели стенда имеется четыре измерительных при­бора, которые позволяют измерять:

миллиамперметр -ток в цепи человека, мА;

миллиамперметр -ток нулевой последователь­ности, мА;

вольтметр U - фазное напряжение сети, В;

секундомер - время срабатывания УЗО, с.
Схемы включения миллиамперметров и вольтметра показаны на лицевой панели стенда. Установка нуля отсчета секундомера производится кнопкой "УСТАНОВКА НУЛЯ".

Указания по технике безопасности

I. Для проведения работы стенд должен быть исправен. Если замечена какая-либо неисправность, то работа должна быть немедленно прекращена и о неисправности сообще­но преподавателю.

2. Запрещается прикасаться к токоведущим частям электро­установки. Наличие напряжения на стенде показывает сигналь­ная лампа, расположенная в верхнем левом углу передней пане­ли.

3. Запрещается включать электроды гибкого проводника в гнезда до включения одного из электродов этого проводника в гнездо или

4. После выполнения работы необходимо отключить исследуе­мую сеть.

Порядок проведения работы

1. Получить у преподавателя задание, где указывается тип сети, ее параметры и характеристики УЗО, подлежащие исследо­ванию.

2. На установке смоделировать заданную сеть. При этом пере­ключатель переменного сопротивления перевести в крайнее левое положение, переключатель поставить в среднее поло­жение, гибкий проводник подключить к через гнездо , переключатель - в положение "включено".

3. Получить у преподавателя разрешение на включение уста­новки.

4. Вклочить сеть выключателем . О включении сети сви­детельствует загорание трех контрольных лампочек на панели стенда.

5. Измерить фазное напряжение сети.

6. Рассчитать и .

7. Определить наибольший допустимый для человека ток, для чего необходимо смоделировать прикосновение человека к токоведущим частям вне зоны защиты установкой свободного кон­ца гибкого проводника в одно из гнезд . Увеличивая ток поворотом ручки потенциометра по часовой стрелке, добиться включения табло "ОПАСНО". Включение табло соответст­вует току . Красная подсветка свидетельствует о протека­нии опасных для человека токов.

8. Определить зависимость при прикоснове­нии человека к различным фазам в зоне защиты. Для этого элек­трод гибкого проводника необходимо вставить поочередно в гнезда , изменять и через каждые 5 мА фиксировать значение . Таким образом, будет полу­чено три зависимости.

9. Определить уставку УЗО. Для этого смоделировать прикос­новение человека к одной из фаз в зоне защиты, включить УЗО нажатием кнопки "ПУСК". При изменении (увеличении от минима­льного значения) , следите за изменением значения . Наименьшее значение тока , при котором произой­дет срабатывание защиты, будет соответствовать уставке УЗО. О включении и выключении УЗО свидетельствует подсветка кнопки " ПУСК".

10. Определить время срабатывания УЗО. Для этого смоделировать прикосновение человека к одной из фаз в зоне защиты через гнездо и кнопку К₁ . Затем, отклю­чив установить ток , обеспечивающий условие . Включить и УЗО. Нажать кнопку К₁ . При этом должно сработать УЗО: секундомером отметить время срабатывания.

11. Проверить работоспособность УЗО при замыкании на эануленный (заземленный) и изолированный от земли корпус в зоне защиты. Замыкание фазы на корпус осуществляется на­жатием кнопки изменение средства защиты - переключателем .

Содержание отчета

Отчет должен содержать:

1. Схему исследуемой сети с обозначением ее параметров (согласно задания).

2. Результаты расчетов и измерений, сведенные в таблицу.

3. Графики по пункту 8 с указанием на них (по пункту 7) и уставки (по пункту 9). По этим графикам оценить защитные свойства данного УЗО в исследуемой сети.

4. Выводы по работе с анализом работоспособности и области применения УЗО, реагирующего на ток нулевой последовательнос­ти.

Контрольные вопросы

1. Назначение и принцип действия защитного отключения.

2. Основные характеристики устройств защитного отключения.

3. При каких условиях поражения (схема включения человека в цепь тока) обеспечивается безопасность устройством защитного отключения, реагирующим на ток нулевой последовательности.

4. Влияние уставки УЗО на эффективность защиты человека от поражения электрическим током и методика ее определения.

5. Методика определения времени срабатывания УЗО.

6. Можно ли компенсировать увеличение уставки УЗО (без изменения эффективности защиты ) его быстродействием?

7. Зависимость эффективности УЗО от параметров сети и режи­ма ее работы.

8. Особенности использования устройства защитного отключе­ния, реагирующего на ток нулевой последовательности, совме­стно, с занулением (защитным заземлением).

Литература

1. Охрана труда / Под ред. Б.А. Князевского. - Изд. 2-е. М,: Высш. шк. 1982. с. 191 - 197.

2. Долин П.А. Основы техники безопасности в электроустановках.

М.: «Знак», 2000. с. 263-267.